Принцип работы люминесцентного светильника
Как работает люминесцентная лампа? Сначала образуются свободно движущиеся электроны. Это происходит в момент включения питающего переменного напряжения в областях вокруг вольфрамовых нитей накаливания внутри стеклянного баллона.
Эти нити за счет покрытия их поверхности слоем из легких металлов по мере нагрева создают эмиссию электронов. Внешнего напряжения питания пока недостаточно для создания электронного потока. Во время движения эти свободные частицы выбивают электроны с внешних орбит атомов инертного газа, которым заполнена колба. Они включаются в общее движение.
На следующем этапе в результате совместной работы стартера и электромагнитного дросселя создаются условия для увеличения силы тока и образования тлеющего разряда газа. Теперь наступает время организации светового потока.
Движущиеся частицы обладают достаточной кинетической энергией, необходимой для перевода электронов атомов ртути, входящей в состав лампы в виде небольшой капли металла, на более высокую орбиту. При возвращении электрона на прежнюю орбиту высвобождается энергия в виде света ультрафиолетового спектра. Преобразование в видимый свет происходит в слое люминофора, покрывающего внутреннюю поверхность колбы.
Для чего нужен дроссель в люминесцентной лампе
Это устройство работает с момента старта и на протяжении всего процесса свечения. На разных этапах задачи, выполняемые им, различны и могут быть разделены на:
- включение светильника в работу;
- поддержание нормального безопасного режима.
На первом этапе используется свойство катушки индуктивности создавать импульс напряжения большой амплитуды за счет электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции при прекращении протекания переменного тока через ее обмотку. Амплитуда этого импульса напрямую зависит от величины индуктивности. Он, суммируясь с переменным сетевым напряжением, позволяет кратковременно создать между электродами напряжение, достаточное для разряда в лампе.
При созданном постоянном свечении дроссель выполняет роль ограничивающего электромагнитного балласта для цепи дуги с низким сопротивлением. Его цель теперь – стабилизация работы для исключения дугового замыкания. При этом используется высокое индуктивное сопротивление обмотки для переменного тока.
Принцип работы стартера люминесцентной лампы
Устройство предназначено для управления процессом запуска светильника в работу. При первоначальном подключении сетевого напряжения оно полностью прикладывается к двум электродам стартера, между которыми существует небольшой промежуток. Между ними возникает тлеющий разряд, в котором температура увеличивается.
Один из контактов, выполненный из биметалла, имеет возможность под действием температуры изменять свои размеры, изгибаться. В этой паре он выполняет роль подвижного элемента. Возрастание температуры приводит к быстрому замыканию электродов между собой. По цепи начинает протекать ток, это приводит к понижению температуры.
Через небольшой промежуток времени происходит разрыв цепи, что является командой для вступления в работу ЭДС самоиндукции дросселя. Последующий процесс был описан выше. Стартер понадобится только на этапе следующего включения.
Основные разновидности
Сегодня существует два типа балласта – электромагнитный и электронный. Они отличаются принципом работы, поэтому стоит познакомиться с каждым из них.
Электромагнитный балласт
Этот вид реализации предполагает последовательное подключение дросселя к лампе. Также для работы электромагнитного ПРА требуется стартер, с помощью которого регулируется процесс зажигания светильника. Эта деталь представляет собой газоразрядную лампу, внутри колбы которой находятся биметаллические электроды.
Работает устройство следующим образом:
- Когда на стартер поступает напряжение, биметаллические электроды замыкаются от нагрева. Это приводит к увеличению силы тока, так как ограничивать его может лишь внутреннее сопротивление обмоток дросселя.
- С ростом показателя электротока начинают разогреваться электроды люминесцентной лампы.
- При остывании стартера размыкаются биметаллические электроды.
- В момент разрыва цепи стартером в катушке дросселя возникает импульс высокого напряжения, что и приводит к зажиганию осветительного прибора.
Когда люминесцентное устройство переходит в штатный режим работы, напряжение на нем и стартере оказывается на 50% меньше сетевого, а этого недостаточно для срабатывания второго элемента. В результате стартер переходит в отключенное состояние и перестает влиять на работу осветительного прибора.
Электромагнитный балласт отличается низкой стоимостью и простой конструкцией. Длительное время эти устройства активно использовались при изготовлении светильников, однако они имеют ряд недостатков:
- Для перехода люминесцентного устройства в рабочий режим требуется около 3 секунд.
- Осветительные приборы с электромагнитным балластом во время работы мерцают, что негативно влияет на органы зрения.
- Расход энергии у этих устройств значительно выше по сравнению с электронным балластом.
- Дроссель шумит во время работы.
Электронная реализация
Электронные устройства представляют собой преобразователи напряжения, с помощью которых обеспечивается питание люминесцентных ламп. Хотя создано много вариантов электронного балласта, в большинстве случаев используется единая блок-схема. При этом производители могут вносить в нее определенные изменения, например, добавить схему управления яркостью осветительного прибора.
Перевод люминесцентного светильника лампы в штатный режим работы с помощью электронного ПРА чаще всего осуществляется одним из двух способов:
- До момента подачи на катоды лампы зажигающего напряжения они предварительно нагреваются. Это позволяет избавиться от мерцания, а также увеличить КПД осветительного прибора.
- В конструкцию светильника установлен колебательный контур, который входит в резонанс до того, как в колбе лампы появится разряд.
Схема пускорегулирующего аппарата для ламп 36w.
Где можно встретить ЛЛ
Помимо уже привычных глазу длинных (более метра) ЛЛ в светильниках для помещений ещё «советских» времён можно гораздо чаще встретить короткие прямые ЛЛ для подвесных потолков и компактные ЛЛ (их трубка свёрнута как нечто U-образное либо вообще представляет из себя многовитковую спираль) с индивидуальной ПРА (Пуско-Регулирующей Аппаратурой). Последние можно вворачивать в стандартные патроны для ламп накаливания внутри помещений.
До начала XXI-го века и «рассвета эпохи светодиодов» ЛЛ часто встречались в ЖК-мониторах и сканерах: их использовали в качестве элементов подсветки (эти лампы были не толще спички и достаточно длинные, из-за чего их напряжение зажигания/работы могло доходить до киловольта).
Классификация
Разновидностей люминесцентных лам существует много, ведь они используются не только для освещения помещений, но и для специфических целей. К примеру, лечебных. Они отличаются по вариантам исполнения, что также влияет на сферу применения.
Варианты исполнения
Изначально такие лампы были исключительно линейными, но с развитием технологий появились и компактные. Оба вида имеют одинаковые свойства, негативные и положительные стороны. Данную группу можно назвать общие, так как, по сути, они отличаются формой колбы и в определенной мере конструкцией.
Линейные лампы
Это ртутная лампа прямого, кольцевого или U-образного исполнения. Такие имеют классификацию по:
- Длине.
- Диаметру колбы.
При этом чем больше по габаритам лампа, тем она мощнее. Для линейных ламп используется цоколь G13, а диаметр колбы: Т4, Т5, Т8, Т10, Т12. Цифры после «Т» означают диаметр стеклянного элемента, выраженный в дюймах. Указанные выше типоразмеры считаются стандартными.
Основное отличие подобной конфигурации в том, что она имеет вваренные электроды по краям, которые направлены внутрь изделия. Снаружи установлены цоколи с контактными штырьками для подключения ее в цепь.
Линейные лампы преимущественно используют в офисах, торговых центрах, транспорте, других общественных местах. Все потому что они потребляют не больше 15% электроэнергии, если брать за 100% потребления энергию лампочкой накаливания.
Компактные
Компактные классифицируются по:
- Форме и размеру колбы.
- Размеру и типу цоколя.
В основном колба в них изогнутая, и «сложена» в виде спирали или в другую форму. За счет этого они и компактны. Использование в бытовых условиях очень удобное и практичное. Ведь можно найти изделие со стандартным цоколем (е27) и устанавливать в любой бытовой светильник без какой-либо его переделки. Кроме того, цоколи бывают: g-11, g23 и другие.
Есть ЛЛ с улучшенной светопередачей. Эта их особенность достигается за счет нанесения нескольких слоев люминофора. Как результат, они качественней ретранслируют цвета. Могут быть как линейного, так и компактного исполнения.
Специальные
Основное отличие их от стандартных люминесцентных ламп дневного света – это спектр излучения. Существуют такие специальные:
- Лампы дневного света, отвечающие повышенным требованиям по цветопередаче. Используются для типографий, музеев, картинных галерей.
- Источники света со спектральным излучением близким к солнечному. Часто используются в медицинских целях для проведения светотерапии.
- Для растений (рассады в том числе) и аквариумов, обозначаются fluora. Для них характерен усиленный спектральный диапазон синего и красного. Он оказывает положительное влияние на фотобиологические процессы. Могут использоваться даже в саду или в собственной теплице.
- Аквариумные с преобладанием синего спектра и ультрафиолета. Они помогают создать оптимальные условия для роста кораллов. Отдельные виды способны при таком освещении флуоресцировать.
- Изделия для освещения помещений, в которых содержаться птицы. Их спектр излучения характеризуется присутствием ближнего ультрафиолета. Это способствует созданию оптимальных условий для птиц, очень приближенных к естественным, применять их стараются в домашних условиях в холодное время года, а на фабриках круглогодично.
- Лампы с разной цветностью: зеленые, синие, фиолетовые, красные, желтые и др. Активно используются для создания световых эффектов, к примеру, в ночных клубах и других развлекательных заведениях. Достигается световой эффект за счет окрашивания колбы или покрытия ее специальным составом люминофора изнутри. Подобные цветные лампы розового оттенка активно используются для подсветки мясных витрин в магазинах. Они делают мясо привлекательным для глаз, а значит, покупатель с большей вероятностью его купит.
- Лампы для соляриев. Еще одно направление среди специальных люминесцентных осветительных элементов.
- УФ лампы из черного стекла, переносные. Используются в сфере лабораторных исследований.
- Лампы для стерилизации и озонирования – ртутно-кварцевые и бактерицидные, гигиенические.
Важно! Разные типы ЛЛ специального назначения активно используются в механике, текстильном, пищевом производстве, криминалистике, сельскохозяйственной сфере
Основные неисправности
Неисправности люминесцентных ламп К основным причинам, по которым люминесцентные лампы дневного света выходят из строя, относятся:
- Износ вольфрамовой нити. Из вольфрамовой нити, которая покрыта активной массой, делаются электроды. Со временем покрытие разрушается и осыпается, из-за чего нить выходит из строя.
- Постоянное срабатывание стартера в лампочках с ЭмПРА. Оно напрямую связано с выгоранием электродов. При постоянном срабатывании стартеров светильник начинает мигать, что негативно сказывается на здоровье человека.
- Неисправность дросселя. Если сломался дроссель, электрический ток в цепи значительно возрастает, из-за чего резко нагреваются электроды. Под действием высоких температур электроды разрушаются, и лампа перестает работать.
- Некачественная защита в лампах с ЭПРА. В приборах с электронным балластом устанавливается схема автоматического отключения при перегорании лампы. В дешевых устройствах неизвестного производителя защита может быть некачественной или отсутствовать вовсе. Это приводит к повышению напряжения и перегоранию транзисторов балласта.
- Неправильный выбор конденсатора. Если конденсатор не подходит под мощность лампы, произойдет пробой.
Если лампа сломалась, осуществить самостоятельный ремонт сложно. Рекомендуется обратиться к специалисту или приобрести новый прибор.
Подключение с применением электромагнитного балласта или ЭПРА
Особенности строения не позволяют подключить ЛДС непосредственно в сеть 220 В – работа от такого уровня напряжения невозможна. Для запуска требуется напряжение не ниже 600В.
С помощью электронных схем необходимо последовательно друг за другом обеспечить нужные режимы работы, каждый из которых требует определенного уровня напряжений.
Режимы работы:
- розжиг;
- свечение.
Запуск заключается в подаче импульсов высокого напряжения (до 1 кВ) на электроды, в результате чего между ними возникает разряд.
Отдельные виды пускорегулирующей аппаратуры, перед тем как произвести пуск, нагревают спираль электродов. Накаливание помогает легче запустить разряд, нить при этом меньше перегревается и дольше служит.
После того как светильник загорелся, питание производится переменным напряжением, включается энергосберегающий режим.
В устройствах, выпускаемых промышленностью, используются два вида пускорегулирующей аппаратуры (ПРА):
- электромагнитный пускорегулирующий аппарат ЭмПРА;
- электронный пускорегулирующий аппарат – ЭПРА.
Схемы предусматривают различное подключение, оно представлено ниже.
Схема с ЭмПРА
В состав электрической схемы светильника с электромагнитной пускорегулирующей аппаратурой (ЭмПРА) входят элементы:
- дроссель;
- стартер;
- компенсирующий конденсатор;
- люминесцентная лампа.
В момент подачи питания через цепь: дроссель – электроды ЛДС, на контактах стартера появляется напряжения.
Биметаллические контакты стартера, находящиеся в газовой среде, нагреваясь, замыкаются. Из-за этого в цепи светильника создается замкнутый контур: контакт 220 В – дроссель – электроды стартера – электроды лампы – контакт 220 В.
Нити электродов, разогреваясь, испускают электроны, которые создают тлеющий разряд. Часть тока начинает течь по цепи: 220В – дроссель – 1-й электрод – 2-й электрод – 220 В. Ток в стартере падает, биметаллические контакты размыкаются. По законам физики в этот момент возникает ЭДС самоиндукции на контактах дросселя, что приводит к возникновению высоковольтного импульса на электродах. Происходит пробой газовой среды, возникает электрическая дуга между противоположными электродами. ЛДС начинает светиться ровным светом.
В дальнейшем подсоединенный в линию дроссель обеспечивает низкий уровень силы тока, протекающего через электроды.
Дроссель, подключенный в цепь переменного тока, работает как индуктивное сопротивление, снижая до 30 % коэффициент полезного действия светильника.
Внимание! С целью уменьшения потерь энергии в схему включают компенсирующий конденсатор, без него светильник будет работать, но электропотребление увеличится
Схема с ЭПРА
Внимание! В рознице ЭПРА часто встречаются под наименованием электронный балласт. Название драйвер продавцы применяют для обозначения блоков питания для светодиодных лент
Внешний вид и устройство электронного балласта, предназначенного для включения двух ламп, мощностью 36 ватт каждая.
В схемах с ЭПРА физические процессы остаются прежними. В некоторых моделях предусмотрено предварительное нагревание электродов, что увеличивает срок службы лампы.
На рисунке показан внешний вид ЭПРА для различных по мощности устройств.
Размеры позволяют разместить ЭПРА даже в цоколе Е27.
Компактные ЭСЛ – один из видов люминесцентных могут иметь цоколь g23.
На рисунке представлена упрощенная функциональная схема ЭПРА.
Плюсы и минусы светильников дневного света
Еще недавно люминесцентные лампы массово устанавливались в помещениях, где требуется создать максимально комфортные условия для органов зрения. Не то чтобы светильники горят по-особенному ярко, наоборот, от них просто меньше устают глаза при чтении, печатании или мелкой ручной работе.
К преимуществам использования потолочных светильников дневного света можно отнести следующее:
- Спектр излучения максимально близок к естественному солнечному. При разработке специалисты постарались приблизить его характеристики к дневному солнечному свету в условиях облачного неба;
- Люминесцентные колбы дают мягкий распределенный световой поток, чего не скажешь о лампах накаливания, галогенках или точечных светодиодных фонарях, причем без каких-либо дополнительных плафонов, экранов или рассеивателей потока. На потолочный светильник с люминесцентными лампами можно смотреть без особого дискомфорта и риска ослепления;
- Относительная экономичность, если сравнивать люминесцентную колбу с обычной лампой накаливания или галогенкой;
- Неприхотливость в работе, люминесцентные светильники требуют минимальной дополнительной аппаратуры, управления и обслуживания.
Именно последний пункт стал причиной массового распространения ламп дневного света в подавляющем большинстве учебных, торговых, лечебных заведений. Благодаря газоразрядному принципу излучения светильник легко выдерживал перепады напряжения в бытовой сети от 180В до 250В без потери работоспособности.
Стартерную часть светильника можно ремонтировать своими руками
Важно! Почти все, даже современные, модели легко ремонтируются. В старых потолочных конструкциях проблема решалась заменой стартерного блока, на это уходило буквально несколько минут
В современных моделях стартерный блок, как правило, спрятан внутри цоколя, но и в этом случае лампу легко отремонтировать заменой конденсатора или пропайкой контактов. Никакой другой тип светильника, галогеновый или светодиодный, восстановить так же быстро не удается.
Недостатки ламп дневного освещения
Понятно, что люминесцентные светильники имеют определенные недостатки, благодаря которым лампы дневного света серьезно уступили нишу потолочного освещения светодиодам. В первую очередь – проблемы с безопасностью, в стеклянной колбе содержатся соединения ртути, поэтому люминесцентные лампы необходимо не выбрасывать, а утилизировать сдачей в пункты приема.
Второй недостаток связан с наличием мерцания, световой поток меняет свою интенсивность 100 раз в секунду. Заметить мерцающие участки можно на непрогретых или сильно изношенных колбах. Даже новые люминесцентные светильники могут дать стробоскопический эффект, когда движущийся или колеблющийся предмет воспринимаются глазами, как неподвижный.
Совет! Если в домашней мастерской или в гараже установлены длинные потолочные люминесцентные лампы, то при работе на станке или с движущимся приспособлением — механизмом обязательно нужно включать подсветку обычной маломощной лампочкой накаливания. Таким образом удается убрать эффект стробоскопа.
Еще один минус касается снижения светового потока. Старые колбы теряют эмиссию на электродах и люминесцентном слое, из-за чего становятся тусклыми при том же уровне потребления электроэнергии. Если люминесцентный светильник очень старой модели, то его работа может сопровождаться гулом электромагнитного балластного модуля, установленного внутри корпуса.
Классификация и типология люминесцентных ламп
Естественно, что прогресс в производстве таких изделий, как люминесцентные лампы, не стоит на месте, и если ранее применялись в основном аналогичные экземпляры со схожими техническими характеристиками, то сегодня потребитель может подобрать себе тот вариант, который будет для него наиболее оптимальным и эффективным.
Существует множество признаков, по которым можно классифицировать эти лампы, но тем не менее, самым основным из, все же, будет признак показателей давления.
На данный момент на рынке представлены газозарядные ртутные экземпляры высокого и низкого давления.
Лампы высокого давления нашли свое применение в основном в освещении вне помещений. Поскольку такие изделия обладают высокой мощностью, то внутри здания их свет будет довольно неприятен для восприятия его глазом.
Также лампы высокого давления отлично подходят для сборки каких-либо осветительных установок.
Лампы низкого давления обладают сравнительно меньшей мощностью, а значит, подходят для применения внутри зданий.
Назначение помещения может быть абсолютно любым: люминесцентные лампы такого показателя подойдут и для цеховых и производственных зданий, и для жилых помещений.
Помимо разделения ламп по принципу давления существует еще и классификация по диаметру трубки или колбы лампы, а также по схеме зажигания.
Для примера можно взять продукты самых известных производителей, например, Osram и Philips. Если внимательно присмотреться к данным на упаковке, то можно увидеть букву и цифру рядом. Это и есть маркировки типа изделия.
Итак, люминесцентные лампы подразделяются на:
- Т5 – лампы с таким показателем являются довольно редким явлением, не нашедшим признания у покупательского сегмента. Стоимость их довольно высока, однако степень светоотдачи показывает прекрасные результаты – до 110 лм/ватт. Стоит отметить, что сейчас производители значительно увеличили объемы производства люминесцентных ламп с таким показателем.
- Т8 – новый продукт, имеющий довольно высокую цену и рассчитанный на нагрузку не более 0,260 А.
- Т10 – аналог лампам маркировки Т12, отличающийся довольно низким качеством и уровнем эффективности.
- Т12 – лидер рынка люминесцентных ламп. Включает в себя широкое разнообразие подтипов, что говорить, практически все стандартные модели относятся к этой группе. В их число входят представители практически всех производителей люминесцентных ламп.
Упомянутый выше принцип классификации по схеме зажигания имеет под собой два типа: требующие стартера и не требующие его.
Мощность тоже является довольно значимой характеристикой люминесцентных ламп, соответственно, это тоже стало фактором для выделения отдельной классификации.
По показателям мощности лампы подразделяются на:
- Стандартные – с маркировкой Т12;
- HO – лампы высокой мощности, однако, отличаются сравнительно меньшей светоотдачей;
- VHO – лампы, способные выдержать нагрузку до 1,5 А;
- «Эконом» — варианты люминесцентных ламп.
К числу критериев, по которым можно распределить лампы по группам, относят и длину.
Вариантов эта дифференциация представляет великое множество. Как правило, производители в обязательном порядке указывают эти данные в инструкции или на упаковке.
Классификация по использованию стартера
Стоит отметить и тот факт, что люминесцентные лампы можно разделить на виды и по типу подключения их.
Более подробно о том как подключать люминесцентные лампы различными способами, можно прочитать в этой статье.
Однако в этом случае выделить какие-либо точные категории довольно сложно, поскольку каждый тип, выделенный, например, по мощности или необходимости присутствия стартера, требует соблюдения своих нюансов.
Безопасность и утилизация
Когда люминесцентная лампа исправна (нет трещин и других повреждений на колбе) ее использование абсолютно безопасно для человека, животных, растений. Но с ними следует обращаться предельно аккуратно, ведь внутри содержатся пары ртути. Даже в тех небольших количествах, они способны принести вред человеку.
Люминесцентные лампы нельзя выбрасывать с обычным бытовым мусором после отработки срока эксплуатации. При попадании в почву способны загрязнять огромные площади. Если пары ртути проникнут в воду она будет медленно отравлять все живое. Функционируют пункты приема таких ламп, в которых бесплатно можно сдать опасный бытовой мусор подобного типа.
Важно! Если лампа, новая или старая, имеет следы повреждения, трещины, пробои использовать ее нельзя ни при каких условиях. При покупке каждую лампу следует проверить не только на работоспособность, но и на целостность
Обращение с довольно хрупкими лампами должно быть аккуратным. Ремонт их своим силами, в том числе разборка, запрещена. Еще один важный момент, люминофор, что находится внутри колбы, со временем утратит свойства, поэтому меняется спектр. Как раз по этой причине использовать дольше указанного срока на упаковке такую лампочку нежелательно, даже если она еще не перегорела.
Переработка рассматриваемых ламп в заводских условиях проводится при необходимых условиях безопасности. В таком случае они не вредят экологии. При этом применяются разные методы извлечения опасных паров ртути. Остатки ламп отправляются на вторичную переработку.
